微特电机课设报告定稿

电机控制课程设计报告书

题 目 （题目为自己所设计的课题名称）

院 部 名 称 机电工程学院/龙蟠学院根据实际填写 专 业 电气工程及其自动/自动化根据实际专业填写 班 级 组 长 姓 名 学 号 同 组 学 生 设 计 地 点 工科楼C 设 计 学 时 1周 指 导 教 师 周洪等

金陵科技学院教务处制

一、设计任务和要求

电机控制课程设计是考察学生利用所学过的电机控制专业知识，进行综合的电机控制系统设计并最终完成实际系统连接，能够使学生对电气与自动化的专业知识进行综合应用，培养学生的创新能力和团队协作能力，提高学生的动手实践能力。最终形成一篇符合规范的设计说明书，并参加综合实践答辩，为后期的毕业设计做好准备。

本次设计考核的能力主要有：

1)专业知识应用能力，包括电路分析、电子技术、单片机、检测技术、电

气控制、电机与拖动、微特电机及其驱动、计算机高级语言、计算机辅

助设计、计算机办公软件等课程，还包括本专业的拓展性课程如变频器、组态技术、现场总线技术、伺服电机等课程。

2)项目设计与运作能力，团队协作能力，技术文档撰写能力，PPT汇报与

口头表达能力。

3)电气与自动化系统的设计与实际应用能力。

要求完成的工作量包括：

1)制作实际成品，并现场演示效果。

2)学生结合课题进行PPT演讲与答辩。

3)学生上交课题要求的各类设计技术文档。

二、设计思路

本次设计的方案是通过外部按键的控制来实现直流电机正反转及其调速的功能.主要分为单片机最小系统模块，驱动模块和显示模块三大部分。其中最小系统模块主要由单片机和外部定时器等组成，通过对其内部加载程序来实现电机的调速，复位，转速显示等功能。驱动模块主要由H桥电路和一些门电路组成，其作用是将输入的信号经H 桥整流后，加到电机两端，实现电机正反转的功能。显示模块主要由光耦、斯密特触发器和数码显示管组成，其作用是通过对电机的测速将转速的具体值在数码管上显示出来。

三、系统硬件设计

1、最小系统模块原理介绍

最小系统模块电路图

该电路工作原理：

主要是通过对单片机内部加载程序来实现电机的调速，复位，转速显示等功能，下面介绍一下最小系统。主要元件有，89C51芯片，石英晶振，上拉电阻，电阻电容等。单片机最小系统介绍如下：

单片机的最小系统就是让单片机能正常工作并发挥其功能时所必须的组成部分，也可理解为是用最少的元件组成的单片机可以工作的系统。对51 系列单片机来说，最小系统一般应该包括：单片机、时钟电路、复位电路、输入/ 输出设备等。

（1）时钟电路

在设计时钟电路之前，让我们先了解下51 单片机上的时钟管脚：

XTAL1（19 脚）：芯片内部振荡电路输入端。

XTAL2（18 脚）：芯片内部振荡电路输出端。

XTAL1 和XTAL2 是独立的输入和输出反相放大器，它们可以被配置为使用石英晶振的片内振荡器，或者是器件直接由外部时钟驱动。图2 中采用的是内时钟模式，即采用利用芯片内部的振荡电路，在XTAL1、XTAL2 的引脚上外接定时元件（一个石英晶体和两个电容），内部振荡器便能产生自激振荡。一般来说晶振可以在1.2 ～12MHz 之间任选，甚至可以达到24MHz 或者更高，但是频率越高功耗也就越大。在本实验套件中采用的11.0592M 的石英晶振。和晶振并联的两个电容的大小对振荡频率有微小影响，可以起到频率微调作用。当采用石英晶振时，电容可以在20 ～40pF 之间选择（本实验套件使用

30pF）；当采用陶瓷谐振器件时，电容要适当地增大一些，在30 ～50pF 之间。通常选取33pF 的陶瓷电容就可以了。

另外值得一提的是如果读者自己在设计单片机系统的印刷电路板（PCB）时，晶体和电容应尽可能与单片机芯片靠近，以减少引线的寄生电容，保证振荡器可靠工作。检测晶振是否起振的方法可以用示波器可以观察到XTAL2 输出的十分漂亮的正弦波，也可以使用万用表测量（把挡位打到直流挡，这个时候测得的是有效值）XTAL2 和地之间的电压时，可以看到2V 左右一点的电压。（2）复位电路

在单片机系统中，复位电路是非常关键的，当程序跑飞（运行不正常）或死机（停止运行）时，就需要进行复位。

MCS-5l 系列单片机的复位引脚RST（第9 管脚）出现2个机器周期以上的高电平时，单片机就执行复位操作。如果RST 持续为高电平，单片机就处于循环复位状态。

复位操作通常有两种基本形式：上电自动复位和开关复位。图2 中所示的复位电路就包括了这两种复位方式。上电瞬间，电容两端电压不能突变，此时电容的负极和RESET 相连，电压全部加在了电阻上，RESET 的输入为高，芯片被复位。随之+5V电源给电容充电，电阻上的电压逐渐减小，最后约等于0，芯片正常工作。并联在电容的两端为复位按键，当复位按键没有被按下的时候电路实现上电复位，在芯片正常工作后，通过按下按键使RST管脚出现高电平达到手动复位的效果。一般来说，只要RST 管脚上保持10ms 以上的高电平，就能使单片机有效的复位。图中所示的复位电阻和电容为经典值，实际制作是可以用同一数量级的电阻和电容代替，读者也可自行计算RC 充电时间或在工作环境实际测量，以确保单片机的复位电路可靠。

（3）. P0 口外接上拉电阻

51 单片机的P0 端口为开漏输出，内部无上拉电阻，所以在当做普通I/O 输出数据时，输出级是漏极开路电路，要使“1”信号（即高电平）正常输出，必须外接上拉电阻。

2、驱动电路原理介绍

驱动模块电路图

该电路工作原理：该部分主要由非门74ls14、与门74ls08、三极管8550（PNP）、8050(NPN)以及电动机和二极管等组成。由其构成H桥，其作用是将输入的信号经H桥整流后，加到电机两端，实现电机正反转的功能。

（1）主要芯片功能如下：

①二输入与门74ls08

引脚图

真值表

②斯密特触发器74ls14

引脚图

真值表

Y=A非

（2）H桥的工作原理如下：

要想让电机工作，就必须形成一个通路。从电路图中可以看出，如果VT1、VT4导通，VT2、VT3截止，就有电流从VCC经VT1→motor→VT4到GND，电流就从A点到B点流经电机，电机正转。如果VT2、VT3导通，VT1、VT4截止，电流从VCC经VT3→motor→VT2到GND，从B点到A点流经电机，电机反转。电机正在转动时，如果VT2、VT4导通，VT1、VT3截止，假设电机自转产生的电动势中B点电势高于A点，电流就从电机B端流出经过VT4→VD2回到电机A端形成回路，由于回路中负载较小，因此会产生比较大的感应电流形成反向扭矩阻止电机

的运转，从而达到制动的目的（VT1、VT3导通，VT2、VT4截止时同理）。通过以上分析，我们可以得出晶体管H桥电路的工作状态表，如下：

H桥电路工作状态表

3、显示电路原理介绍

显示模块电路图

该电路工作原理：该部分主要由光耦和数码显示管组成，其作用是通过对电机的测速，经过锁存器锁存转速，将转速的具体值在数码管上显示出来。主要芯片功能介绍如下：

锁存器74HC573引脚图

主要功能：1脚三态允许控制端，低电平有效；1D~8D为数据输入端；1Q~8Q为数据输出端；LE为锁存控制端，高电平有效

四、系统软件设计

流程图如下主程序：

显示模块：

键盘控制：

单片机程序如下：

/*用驱动桥电路驱动电机并测速，

测速用定时器T2的计数功能而不用外部中断，因为中断次数太多，程序会频繁的被打断

T0产生PWM的周期50ms，并兼顾1s定时

T1改变占空比，启动时占空比为10%，每次按下加速键增加10%,当增加到100%，回到10%*/

#include

#include

#include "display.h"

#include "key.h"

#include "timer.h"

#define uchar unsigned char

#define uint unsigned int

uchar CycleNumPerSec,t0Ints,disdata[4]={11,0,0,0};

uint ratio=10000; //占空比

uint PulseNumPerSec;

sbit IN0=P2^0;

sbit IN1=P2^1;

sbit PMW=P2^2;

uchar direction=0;

void forward(void) //正转

{

IN0=1; IN1=0; direction=1; TR0=1; TR1=1;

}

void backward(void) //反转

{

IN0=0; IN1=1; direction=0; TR0=1; TR1=1; }

void stop(void) //停止

{

IN0=0; IN1=0; TR0=0; TR1=0;

}

void main(void)

{

uchar keyvalue;

Init_timer0();

Init_timer1();

Init_timer2();

while(1)

{

bit flag=0;

keyvalue=KeyScan();

switch(keyvalue)

{

case 0:

{ //正转按键，状态1

forward();

flag=1;

break;

}

case 1:

{ //反转按键，状态2

backward();

flag=1;

break;

}

case 2:

{ //增加占空比，达到最大值后从最小重新开始ratio+=5000;

if(ratio >= 50000)

ratio=10000;

break;

}

case 3:

{ //停止键

stop();

flag=0;

disdata[0]=11;

ratio=10000;

CycleNumPerSec=0; //显示清0

break;

}

default:break;

}

if(flag==1)

{

if(direction==0) //如果是反转，速度显示为负数

disdata[0]=13; //反转标志显示 R

else

disdata[0]=14; //正转标志显示 F

}

disdata[1]=CycleNumPerSec/10/10;

disdata[2]=CycleNumPerSec/10%10;

disdata[3]=CycleNumPerSec%10;

display(disdata);

}

}

void Isr_timer0(void) interrupt 1 //控制波形周期，兼测速度

{

TH0=(65536-50000)/256;

TL0=(65536-50000)%256;

TR1=1;

PMW=1; //开定时器1，并将波形拉高

t0Ints++;

if(t0Ints == 20) //1s到

{

TR2=0;

PulseNumPerSec = TH2;

PulseNumPerSec <<= 8;

PulseNumPerSec += TL2; //记下脉冲数n

TH2=0;

TL2=0;

CycleNumPerSec = PulseNumPerSec/4; //圆盘上有4个缝隙

PulseNumPerSec = 0; //清零，并开始下一次计数

TR2=1;

t0Ints =0;

}

}

void Isr_timer1(void) interrupt 3 //调占空比

{

TH1=(65536-ratio)/256;

TL1=(65536-ratio)%256;

TR1=0;

PMW=0; //关自己，并把波形拉低

}

#ifndef __DISPLAY_H__

#define __DISPLAY_H__

#define uchar unsigned char

#define uint unsigned int

//0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 -

灭 _ R F

unsigned char code DuanMa[]={0x3f,0x06,~0xa4,~0xb0,~0x99,~0x92,~0x82,~0xf8,~0x80,~0x90,~ 0xbf,~0xff,~0xf7,~0x88,~0x8e}; //共阴

unsigned char code WeiMa[]={0xfe,0xfd,0xfb,0xf7};//分别对应相应的数码管点亮,即位码

sbit seg_latch=P2^4;

sbit bit_latch=P2^3;

#define DataPort P0 //定义数据端口程序中遇到DataPort 则用P0替换

void SEG_Latch(void) //段码锁存子程序

{

seg_latch=1;//段码数据选通

_nop_();

seg_latch=0;//段码数据被锁存

}

void BIT_Latch(void) //位码锁存子程序

{

bit_latch=1;//位码数据选通

_nop_();

bit_latch=0;//位码数据被锁存

}

void delay_50us(uint t) //50us 延时

{

uchar j;

for(;t>0;t--)

for(j=19;j>0;j--)

;

}

void display(uchar *point)

{

unsigned char i=0;

for(i=0;i<4;i++)

{

DataPort=WeiMa[i]; //取位码

BIT_Latch(); //数据锁存

DataPort=DuanMa[*(point+i)]; //取显示数据，段码

SEG_Latch(); //数据锁存

delay_50us(20); // 扫描间隙延时，时间太长会闪烁,太短不亮 DataPort=0x00; //关显示,消除重影

SEG_Latch(); //数据锁存

}

}

#endif

#ifndef __KEY_H__

#define __KEY_H__

#define KeyPort P3

/*------------------------------------------------

将跳线帽套在J5的BIN针上

独立按键扫描函数，返回扫描键值

左边一列从上向下对应P30，P31，P32，P33

分别是0,1,2,3号键

------------------------------------------------*/

void delay50us(unsigned int t) //50us 延时

{

unsigned char j;

for(;t>0;t--)

for(j=19;j>0;j--)

;

}

unsigned char KeyScan(void)

{

unsigned char keyvalue;

KeyPort |= 0x0f;

if((KeyPort&0x0f)!=0x0f)

{

delay50us(200);

if((KeyPort&0x0f)!=0x0f)

{

keyvalue=KeyPort;

while((KeyPort&0x0f)!=0x0f);

keyvalue &= 0x0f;

switch(keyvalue)

{

case 0x0e:return 0;break; //S7

case 0x0d:return 1;break; //S6

case 0x0b:return 2;break; //S5

case 0x07:return 3;break; //S4

default:return 0xff;break;

}

}

}

return 0xff;

}

#endif

#ifndef __TIMER_H__

#define __TIMER_H__

void Init_timer0(void)

{

TH0=(65536-50000)/256;

TL0=(65536-50000)%256;

TMOD|=0x01;

TR0=1;

ET0=1;

EA=1;

}

void Init_timer1(void)

{

TH1=(65536-5000)/256;

TL1=(65536-5000)%256;

TMOD|=0x10;

TR1=1;

ET1=1;

EA=1;

}

void Init_timer2(void) //计数功能

{

T2CON = 0x02;

TH2=0;

TL2=0;

RCAP2H=0x00;

RCAP2L=0x00;

ET2=1; //禁止定时/计数器2中断 TR2=1; //T2停止运行

EXF2=0; //timer2外部中断标志位清0 }

#endif

五、调试过程与结果

焊好电路板，给电路板上电后，发现电机转动但调速没用，硬件软件两边都检查错误，发现程序漏写了几行，导致加载进去的程序无法控制电机转速。排除错误后，再次上电，电机转动并且受外部按键的控制。但是在速度过高时，显示模块的第一个数码管有几根管脚不亮，用万用表检查后发现有数码管其中一段已经烧坏。解决完了上述两个问题之后，再次上电，电机正常运行，并且可以实现正反转以及6个档位的速度调节，数码管上也显示了电机每秒的转速，实物调试成功。

六、总结与体会

通过本次课程设计，我对微特电机以及电机与拖动还有单片机等课程有了进一步的了解，我们小组经过讨论后，决定以“直流电机的正反转调速”来作为本次设计的课题。在课题确定后，我们分工合作，一起去买了器材，我们在电路中加了显示模块作为我们设计的提升的那一部分。买完器件后，唐荣鑫负责撰写文档，费仕明负责实物焊接和程序设计，张龙负责搜集资料，帮忙焊接。我们分工明确，效率高的完成了任务。在实物调试时，虽然也遇到了不少困难，但是我们用自己现有的知识来排除故障和难题，最终作出了还算不错的结果。

本次设计是几个人合作完成的，在完成的过程中，我们不仅学到了很多知识，而且也感受到了团队协作的重要性，希望在以后的课程中，我们可以多多搞这样的实习和设计，加深我们对课程的理解，真正做到将理论付诸于实践，同时也可以增强我们对专业的自信心，为以后找到一份好工作打下坚实的基础。虽然在本次设计还有很多的不足之处，但是我相信在以后的设计中一定会做的更加漂亮，更加完美。

七、参考资料

参考资料不低于5篇，参考书目要求与本设计课题相关。

格式参考：

[1] 侯文霞. 变频调速技术在中央空调控制中的应用[J].机床电器.2002第二期.

[2] 韩常. PLC编程及应用[M]. 北京：机械工业出版社,2005.

[3] 孟祥霓. 直流电动机机械特性测定方法的研究[J]. 济南大学学报, 1997,(03)

[4] 甄光裕. 直流电动机机械特性的估算分析[J]. 电机技术, 2002,(04)

[5] 陈明德, 魏(王美)琪. 直流电动机的f(I,M,n)特性研究[J]. 微特电机, 1981,(01)